課程設計報告課程名稱：數字電子技術設計名稱：數字式時鐘的設計姓名：_______學號:班級：09自動化指導教師：起止日期：2011.11.21至2011.11.25課程設計任務書學生班級：09自動化學生姓名：學號：設計名稱：數字式時鐘的設計起止日期2011.11.21至2011.11.25指導教師：設計要求：1、能夠顯示時、分、秒；2、時為24進制，分秒為60進制；

3、能實現實時校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；

4、計時過程過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時。一、摘要隨著科技的發(fā)展和社會的進步，人們對數字鐘的要求也越來越高，傳統的時鐘已不能滿足人們的需求。多功能數字鐘不管在性能還是在樣式上都發(fā)生了質的變化，有電子鬧鐘、數字鬧鐘等等。單片機在多功能數字鐘中的應用已是非常普遍的，人們對數字鐘的功能及工作順序都非常熟悉。但是卻很少知道它的內部結構以及工作原理。本文將介紹關于數字式時鐘的設計。本文設計的數字式時鐘除了具有能夠顯示時、分、秒，而且時為24進制，分秒為60進制的功能外，數字還鐘具有校時功能即有預置數功能。需要其在任何時間可對數字鬧鐘進行校準，將其撥至標準時間或其他需要的時間。此數字式時鐘還具有一個功能就是計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時。方便人們知道整點時間。二、目錄一、摘要1目錄2三、設計要求3四、各部分電路設計原理及其框圖3數字鐘的構成3晶體振蕩器電路4分頻器電路4時間計數器電路4譯碼驅動電路5數碼管52.2、數字鐘的工作原理52.2.1、晶體振蕩器電路52.2.2、分頻器電路62.2.3、時間計數單元72.3.4、譯碼驅動及顯示單元92.3.5、校時電源電路92.3.6、整點報時電路9五、各功能塊電路圖10.六、心得體會15七、參考文獻16八、評語表16三、設計要求（1）能夠顯示時、分、秒；

（2）時為24進制，分秒為60進制；

（3）能實現實時校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；

（4）計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時四、各部分電路設計原理及其框圖1．數字鐘的構成

數字鐘實際上是一個對標準頻率（）進行計數的計數電路。由于計數的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的時間信號必須做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數字鐘。下圖所示為數字鐘的一般構成框圖：

（1）晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的的方波信號，可保證數字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。

（2）分頻器電路

分頻器電路將的高頻方波信號經次分頻后得到的方波信號供秒計數器進行計數。分頻器實際上也就是計數器。

（3）時間計數器電路

時間計數電路由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器及時個位和時十位計數器電路構成，其中秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器為60進制計數器，而根據設計要求，時個位和時十位計數器為12進制計數器。

（4）譯碼驅動電路

譯碼驅動電路將計數器輸出的8421BCD碼轉換為數碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。

（5）數碼管

數碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數碼管和液晶（LCD）數碼管，本設計我們所使用的是ＬＥＤ數碼管。

2．數字鐘的工作原理

1）晶體振蕩器電路

晶體振蕩器是構成數字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。圖2所示電路通過ＣＭＯＳ非門構成的輸出為方波的數字式晶體振蕩電路，這個電路中，ＣＭＯＳ非門Ｕ１與晶體、電容和電阻構成晶體振蕩器電路，Ｕ２實現整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉換為較理想的方波。輸出反饋電阻Ｒ１為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構成一個諧振型網絡，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個相移，從而和非門構成一個正反饋網絡，實現了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。

晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專為數字鐘電路而設計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數。從有關手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。非門電路可選7416N。

圖2COMS晶體振蕩器

2）分頻器電路

通常，數字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到１Ｈz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。

通常實現分頻器的電路是計數器電路，一般采用多級２進制計數器來實現。例如，將的振蕩信號分頻為1HZ 的分頻倍數為，即實現該分頻功能的計數器相當于15極2進制計數器。常用的2進制計數器有74HC393等。

本實驗中采用CD4060來構成分頻電路。CD4060在數字集成電路中可實現的分頻次數最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計數為14級2進制計數器，可以將32768的信號分頻為2HZ，其內部框圖如圖3所示，從圖中可以看出，CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現振蕩和分頻的功能。

圖3CD4046內部框圖

３）時間計數單元

時間計數單元有時計數、分計數和秒計數等幾個部分。

時計數單元一般為12進制計數器計數器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計數和秒計數單元為60進制計數器，其輸出也為8421BCD碼。一般采用10進制計數器74HC390來實現時間計數單元的計數功能。為減少器件使用數量，可選74HC390，其內部邏輯框圖如圖所示。該器件為雙2-5-10異步計數器，并且每一計數器均提供一個異步清零端（高電平有效）。

圖474HC390(1/2)內部邏輯框圖

秒個位計數單元為10進制計數器，無需進制轉換，只需將QA與CPB（下降沿有效）相連即可。CPA（下降沒效）與1HZ秒輸入信號相連，Q3可作為向上的進位信號與十位計數單元的CPA相連。秒十位計數單元為6進制計數器，需要進制轉換。將10進制計數器轉換為6進制計數器的電路連接方法如圖5所示，其中Q2可作為向上的進位信號與分個位的計數單元的CPA相連。

圖510進制——6進制計數器轉換電路

分個位和分十位計數單元電路結構分別與秒個位和秒十位計數單元完全相同，只不過分個位計數單元的Ｑ３作為向上的進位信號應與分十位計數單元的CPA相連，分十位計數單元的Q2作為向上的進位信號應與時個位計數單元的CPA相連。

時個位計數單元電路結構仍與秒或個位計數單元相同，但是要求，整個時計數單元應為12進制計數器，不是10的整數倍，因此需將個位和十位計數單元合并為一個整體才能進行10進制轉換。利用1片74HC390實現12進制計數功能的電路如圖6所示。

另外，圖6所示電路中，尚余－２進制計數單元，正好可作為分頻器2HZ輸出信號轉化為1HZ信號之用。

圖612進制計數器電路

4）譯碼驅動及顯示單元

計數器實現了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數器的輸出數碼轉換為數碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數碼管作為顯示單元電路。

5）校時電源電路

當重新接通電源或走時出現誤差時都需要對時間進行校正。通常，校正時間的方法是：首先截斷正常的計數通路，然后再進行人工出觸發(fā)計數或將頻率較高的方波信號加到需要校正的計數單元的輸入端，校正好后，再轉入正常計時狀態(tài)即可。根據要求，數字鐘應具有分校正和時校正功能，因此，應截斷分個位和時個位的直接計數通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。圖7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時電路，圖7帶有消抖動電路的校正電路

6）整點報時電路

一般時鐘都應具備整點報時電路功能，即在時間出現整點前數秒內，數字鐘會自動報時，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復雜的也可以是實時語音提示。

根據要求，電路應在整點前10秒鐘內開始整點報時，即當時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。報時電路選74HC30，選蜂鳴器為電聲器件。五、各功能塊電路圖

1．一個CD4511和一個LED數碼管連接成一個CD4511驅動電路，數碼管可從09顯示，以次來檢查數碼管的好壞，見附圖8。圖84511驅動電路

2．利用一個LED數碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個十進制計數器，電路在晶振的作用下數碼管從0—9顯示，見附圖9。

圖974390十進制計數器

3．利用一個LED數碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00和一個晶振連接成一個六進制計數器，數碼管從0—6顯示，見附圖10。

圖1074390六進制計數器

4．利用一個六進制電路和一個十進制連接成一個六十進制電路，電路可從0—59顯示，見附圖1。

圖11六十進制電路

5．利用兩個六十進制的電路合成一個雙六十進制電路，兩個六十進制之間有進位，見附圖12。

圖12雙六十進制電路

6．利用CD4060、電阻及晶振連接成一個分頻——晶振電路，見附圖13。圖13分頻—晶振電路

7．利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個校時電路，見附圖14。

圖14校時電路

8．利用74HC30和蜂鳴器連接成整點報時電路。見附圖